第六章发电机的保护doc.docx

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1.第六章发电机的保护

6.1发电机的故障和不正常运行状态及保护方式

（一）发电机的故障

①定子绕组相间短路

很大的短路电流会使绕组过热，故障点的电弧将破坏绝缘、烧坏铁芯和绕组，甚至导致发电机着火。

②定子绕组匝间短路

被短路的部分绕组内将产生大的环流，引起故障处温度升高，绝缘破坏，并可能转变成单相和相间短路。

③定子绕组单相接地

电网中的电容电流将流过故障点，电流较大时，会使铁芯局部熔化。

④励磁回路一点或两点接地

励磁回路一点接地未构成通路，对发电机无直接危害。

如果另一点再接地，可能烧坏励磁绕组和铁芯。

此外，由于转子磁通的对称性破坏，还会引起机组的强烈振动。

（二）发电机的不正常运行状态

①励磁电流下降或消失

发电机转入异步运行状态，从系统吸收无功，造成系统无功不足，电压下降，甚至使系统电压崩溃。

同时，引起定子电流增加和转子过热。

②外部短路引起的定子绕组过电流。

③过负荷。

④不对称运行时，负序电流引起转子表层过热。

⑤定子绕组过电压。

此外，还有发电机失步、逆功率、非全相运行及励磁回路故障。

（三）发电机的主要保护

①反应发电机绕组和引出线相间短路的纵联差动保护。

②反应定子绕组接地的100%定子接地保护。

③反应定子绕组匝间短路的横差保护、定子零序电压保护和转子二次谐波电流保护。

④反应外部相间短路的过电流保护或复合电压启动的过电流保护。

⑤定子绕组过负荷保护。

⑥定子绕组过电压保护。

⑦转子表层过热的定时限和反时限负序电流保护。

⑧励磁回路一点及两点接地保护。

⑨失磁保护。

⑩逆功率保护。

此外，还有失步保护、低频保护、断水保护、非全相运行保护。

6.2发电机纵差保护

（一）发电机纵差保护接线原理

如图6.2-1所示，比较发电机中性点侧和机端引出线侧的电流。

在正常和区外故障时，发电机两侧电流幅值和相位相同，为使差动电流为零，所以两侧的电流互感器的特性、变比和接线应该完全相同。

（二）不平衡电流

因为电流互感器之间的差异是客观存在的，在正常和区外故障时差动继电器中会有不平衡电流，

（6.2-1）

式中，是区外最大短路电流；是电流互感器误差，取0.1；是各侧电流互感器的同型系数，取0.5；是非周期分量影响系数，取1~1.5。

（三）具有比率制动特性的差动保护

为了使差动保护在区内故障时有足够的灵敏度，同时在区外故障时又不会误动，采用具有比率制动特性的差动保护。

根据图6.2-1规定的电流互感器极性和二次侧电流方向，定义的差动量为：

（6.2-2）

定义的制动量是：

（6.2-3）

差动保护动作与否由比率制动特性确定，如图6.2-2所示，特性曲线以上是保护动作区，特性曲线以下是保护不动作区。

用最小动作电流（取0.1~0.3）、最小制动电流（取0.8~1.0）和斜率K（一般取0.5）三要素可以确定特性曲线。

差动保护动作方程为

（6.2-4）

（四）不反应发电机匝间短路

变压器匝间短路会影响到变压器变比，从而改变其与各侧电流互感器变比的关系，在二次回路中产生差动电流；而发电机匝间短路只会在绕组内产生环流，因为两侧电流互感器相同，二次回路中不会产生差动电流。

所以发电机差动保护不能够和变压器差动保护一样保护匝间短路。

6.3定子绕组匝间短路保护

（一）横联差动保护

发电机定子匝间短路情况如图6.3-1所示：

一种是同一绕组内发生匝间短路，是短路匝数百分比；另一种是同相的分支绕组不同电位点短路。

发生上述两种匝间短路时，两组星型绕组中的三相电流之和不再相同，差动继电器中产生电流。

超过动作值时，保护使发电机断路器和励磁开关瞬时跳闸。

横联差动保护的动作值为

（6.3）

式（6.3）中，是发电机额定电流。

发电机同相的各分支绕组不是处于同一位置，当转子回路两点接地时，磁场对称性遭到破坏，各分支绕组感应电动势不相等，两个中性点连线上产生电流，使横联差动保护动作。

如果是永久性的转子回路两点接地，横联差动保护动作也是被允许的，但应该防止瞬时转子回路两点接地使横联差动保护误动作。

为此，当发现转子回路一点接地时，应该将横联差动保护切换到延时回路，保护经过0.5~1s后将发动机跳开。

三次谐波会在双星形接线的两个中性点上产生电压，使横联差动保护误动，所以应该加装三次谐波滤波器。

当同一绕组匝间短路的匝数很小，或同相两个分支绕组电位相近的两点发生匝间短路时，由于流入差动继电器的电流很小，保护可能不动作，因此横联差动保护存在死区。

（二）负序功率方向闭锁的转子回路二次谐波电流保护

发电机定子绕组匝间短路时三相电流不平衡，将产生负序电流，对应的负序旋转磁场对于转子以两倍同步速度旋转，在转子绕组感应产生二次谐波电流，基于此电流能够构成定子绕组匝间短路保护，如图6.3-2所示：

但是，发电机外部不对称故障时也会在转子绕组感应产生二次谐波电流，为了防止此时保护误动，可以在发电机机端测量负序功率方向，利用外部不对称故障时和定子绕组匝间短路时负序功率方向相反的特点，确定是否闭锁保护。

在发电机内部两相短路时，保护会动作，这是被允许的，但会无法判别故障类型。

（三）负序功率方向闭锁的零序电压保护

发电机定子绕组匝间短路时，三相电压不对称，在机端会出现对于发电机中性点的零序电压，基于此电压能够构成定子绕组匝间短路保护，如图6.3-3所示：

在发动机机端为此保护装设专门的电压互感器，其星形接线的一次绕组的中性点与发电机的中性点连接，而不是直接接地。

在正常运行和发电机外部故障时，开口三角形处会因为三次谐波而产生不平衡电压，所以需要进行滤除三次谐波的处理。

为防止外部短路电流太大造成波形畸变产生三次谐波使保护误动，采用负序功率方向闭锁。

零序电压继电器的动作值整定为1V（二次侧）左右，在没有负序功率方向闭锁时动作值为3V（二次侧）左右。

6.4定子绕组单相接地保护

（一）故障原因

由于发电机振动使定子绕组与铁芯之间的绝缘遭到破坏，或水内冷发电机漏水，使定子绕组接地。

因为发电机中性点不接地或经高阻抗接地，定子绕组单相接地并不会引起大的故障电流，对发电机造成损坏的主要是电弧，把不产生电弧的单相接地电流称为安全电流，在安全电流下，定子接地保护动作只发信号而不跳闸，否则立即跳闸停机。

（二）基波零序电压保护

如图6.4-1所示，表示故障点到中性点绕组匝数占全部的百分比，

在故障处的各相电压为：

（6.4-1）

零序电压为：

（6.4-2）

在机端的各相电压为：

（6.4-3）

零序电压为：

（6.4-4）

可知，也即在机端能够测到故障点的零序电压，基于此电压构成基波零序电压保护如图6.4-1中b所示。

三次谐波会产生零序不平衡电压，为此应该加装三次谐波滤波器，同时将零序电压继电器的动作值整定为5~10V，故可知保护的死区是在靠近发电机中性点的区域。

（三）三次谐波零序电压保护

如图6.4-2所示，在发电机中性点和机端测量三次谐波电压和，其中和分别是发电机定子每相绕组对地电容和外部每相对地电容。

正常运行时，如图6.4-2中a所示，。

定子绕组单相接地时，如图6.4-2中b所示，和。

当，则；当，则。

综上所述，是定子绕组单相接地且故障点在中性点附近的判据，基于此构成三次谐波零序电压保护。

该保护的保护范围是，正好覆盖了基波零序电压保护的死区。

所以由基波和三次谐波零序电压保护共同构成100%定子绕组单相接地保护。

6.5发电机低励失磁保护

（一）故障分析

发电机低励失磁是指励磁电流部分或全部消失，其主要是因为励磁电源故障、励磁绕组回路故障、自动灭磁开关误动、自动励磁调节装置故障及人员误操作。

失磁后发电机由同步运行逐渐转为异步运行，会从系统中吸取无功，引起电压下降，影响系统的稳定性；发电机转子转速不稳定，不断受到机械应力作用，威胁发电机本身的安全。

如图6.5-1所示的系统，发电机同步运行时的功角特性为：

（6.5-1）

式中：

和分别是发电机向系统输出的有功和无功功率，和分别是发电机电动势和系统电压，是和的相位差，也即功角，和分别是发电机电抗和系统联络电抗。

是临界失步点。

发电机失磁后会经过三个阶段：

①从失磁开始到到达临界失步点，这一过程中下降而变大，能够保持不变，所以又称为等有功过程，其间逐渐减小至零，随后反向增加，开始从系统吸取无功。

②不稳定异步运行，这一过程中持续减小至零，过剩的机械功率加速转子，继续变大，滑差增大，异步输出功率增大。

③稳定异步运行，当滑差增大至一定数值时，异步输出功率与输入的机械功率达到平衡，转子不在加速，滑差稳定。

将测量阻抗定义为从发电机机端向系统方向看到的阻抗。

在第一阶段，保持不变而变化，测量阻抗的变化轨迹用等有功阻抗圆表示，如图6.5-2所示。

（6.5-2）

式中，。

不难发现，等有功阻抗圆的半径为，越大，圆越小。

正常运行时Q大于零，Z在第一象限内；失磁后Q向负方向变化，Z向第四象限移动。

当，也即临界失步点时，测量阻抗Z向量在称为等无功阻抗圆的圆周上，如图6.5-3所示。

（6.5-3）

式中，。

（即失步）后，负方向增大，测量阻抗向量向等无功阻抗圆内移动，所以圆内为失步区，而圆外为稳定工作区。

（二）失磁保护的主要判据

①失磁过程中发电机输出无功功率方向改变。

②发电机失磁后测量阻抗由第一象限进入第四象限，当越过等无功阻抗圆圆周后失步，因此，可以把这一静态稳定极限边界作为鉴别失磁故障的判据。

③在稳定异步运行阶段，测量阻抗最终落在的范围内。

④在失磁后的等有功过程中，发电机电动势不断减小，而定子电流在短暂下降后持续上升。

这是因为无功功率先减小至零而后反方向增加。

6.6其他保护

（一）励磁回路接地保护

励磁回路一点接地对发电机没有直接影响，在检测到一点接地时保护只发出告警信号，发电机可以继续运行。

但此时励磁回路对地电压会升高，可能诱发另一点接地。

励磁回路两点接地是严重的故障，产生很大的短路电流，应该立即跳闸停机。

励磁回路一点接地和两点接地故障一般依靠接于转子回路的附加电路进行检测。

（二）转子表层过热保护

当系统不对称时，发电机定子绕组中的负序电流会在转子中感应出两倍工频的电流，由于转子深部感抗大，该电流主要在转子表层沿轴向流动，因为数值较大，会在转子表面引起局部高温。

定时限负序过负荷保护按躲过发电机长期允许的负序电流和最大负荷时负序不平衡电流整定，保护带时限动作于信号；反时限负序过负荷保护按发电机热积累（温升）过程计算动作时限，保护动作于跳闸。

（三）逆功率保护

汽轮发电机组在主汽门关闭后，发电机将从系统吸收有功和无功变为电动机运行。

此时对发电机不会有危害，但残留的蒸气会对汽轮机叶片造成损害，因此应该装设逆功率保护，带时限动作于信号，经长时限跳闸解列。

逆功率运行时，发电机从系统吸收的有功稳态值约为额定值的4%~5.5%，最大暂态值约为额定值的10%。

而此时发电机吸收的无功往往很大，就要求保护能够在视在功率很大且无功功率大范围变化的情况下，检测出很小的有功功率方向。

（四）失步保护

当系统遭受大扰动引起能量严重不平衡时，往往会引起不稳定振荡，使一台或多台发电机失去同步，失步时通常表现为发电机与系统之间有功功率和无功功率的强烈摆动，振荡电流的幅值很大，对发电机机组的周期性扭转转矩会严重伤害大轴。

失步保护通常由阻抗元件（测量机端阻抗变化轨迹及对时间的变化特征）或测量振荡中心电压及变化率等原理构成。

在短路故障和系统稳定振荡时保护不应该动作。

保护通常动作于信号，当振荡中心位于发电机变压器组内部而失步时间或振荡次数超过整定值时，保护动作于跳闸解列。

（五）定子绕组对称过负荷保护

定子绕组在对称过负荷时会严重发热，为避免温升过高，应该装设